20世纪40年代，美国工程师兵团提出了沥青混合料马歇尔设计方法。20世纪90年代，美国战略公路研究计划（SHRP）成果提出了基于旋转压实试验的高性能沥青路面（superpave）沥青混合料设计方法，开创了沥青和沥青混合料的研究和应用的新纪元。

沥青混合料最常用的体积指标为试件的空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度和粗集料间隙率。这些体积指标取决于沥青混合料中沥青与集料性质、组成材料用量比例、沥青混合料成型条件等因素，反映了压实后沥青混合料各组成材料之间质量与体积的关系。在现行沥青混合料设计方法中，无论是马歇尔设计方法还是高性能沥青路面沥青混合料设计方法，体积指标均是重要的设计指标，通过设定沥青混合料试件空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度的范围，来实现沥青、集料和空隙之间合理的体积比例，进而在一定程度上保证沥青混合料的性能。

空隙率（volume of air voids; VV）。压实沥青混合料内矿料和沥青实体之外的空隙体积（不包括矿料本身及其表面已被沥青封闭的孔隙）占试件总体积的百分率。由压实沥青混合料试件的毛体积相对密度和最大理论相对密度进行计算得到。毛体积密度指沥青混合料试件单位毛体积的干质量，毛体积相对密度指其毛体积密度与同温度水的密度之比值。沥青混合料的毛体积指沥青混合料试件在饱和面干状态下表面轮廓水膜所包裹的全部体积，包含了沥青混合料实体体积、闭口空隙体积、能吸收水分的开口空隙等试件表面轮廓所包围的全部体积。毛体积相对密度指标不仅用于计算沥青混合料的空隙率，还用于确定混合料的最佳沥青用量。最大理论密度是假设沥青混合料试件被压实至完全密实，没有空隙的理想状态下的单位体积的质量，即假设压实沥青混合料试件全部为矿料（包括矿料内部孔隙）和沥青所占有，空隙率为零时的密度。沥青混合料的最大理论相对密度采用实测或计算方法得到。

矿料间隙率（voids in mineral aggregate; VMA）。压实沥青混合料试件中矿质混合料实体以外的空间体积占试件总体积的百分率。由沥青混合料试件的毛体积相对密度、合成矿料的合成毛体积相对密度、合成矿料质量比例进行计算得到。

沥青饱和度（voids filled with asphalt; VFA）。压实沥青混合料试件中沥青实体体积占矿料实体以外的空间体积的百分率，又称沥青填隙率。

粗集料间隙率。包括粗集料骨架间隙率（voids in coarse aggregate in dry rodded condition; VCA_DRC）、压实沥青混合料试件粗集料间隙率（voids in coarse aggregate of asphalt mix; VCAmix）。粗集料骨架间隙率指粗集料实体之外的空间体积占整个试件体积的百分率，采用粗集料的堆积密度和粗集料的毛体积密度计算。压实沥青混合料试件粗集料间隙率是指压实沥青混合料试件内粗集料骨架实体以外的体积占整个试件体积的百分率，根据沥青混合料中粗集料（粒径≥4.75毫米或≥2.36毫米）质量比例、粗集料平均毛体积相对密度、沥青混合料试件的毛体积相对密度计算得到。在压实沥青混合料，如沥青玛蹄脂碎石（SMA）混合料中，粗集料形成骨架结构的必要条件是：VCA_DRC≥VCAmix。若VCA_DRC＜VCAmix，表明沥青混合料的粗集料骨架被所填充的沥青玛蹄脂撑开，说明在沥青混合料中，或者是沥青玛蹄脂过多，或者是粗集料骨架间隙过小。

基于马歇尔试验的热拌沥青混合料配合比设计方法。设计目的是确定沥青混合料的矿料配合比和最佳沥青用量。马歇尔设计法的主要内容如下：

确定沥青混合料类型及矿质混合料的设计级配范围。需要根据道路等级、气候条件以及功能要求，依据现行规范的规定或试验研究成果确定。

确定矿质混合料的设计配合比。根据各档集料的筛分结果，在设计级配范围中，初拟3组矿料配合比；根据使用经验，初估沥青用量，按照初拟矿料配合比拌制3组沥青混合料，在标准条件下，成型马歇尔试件；测试试件的毛体积密度，计算沥青混合料试件的空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率等；在马歇尔试验仪上，按照标准方法测定沥青混合料试件的马歇尔稳定度和流值；根据现行规范或设计要求，确定矿料的设计配合比。

确定最佳沥青用量（或油石比）。按照所设计的矿料配合比，根据经验估计适宜的沥青用量。以所估计的沥青用量为中值，按一定间隔（如0.5%或0.3%）变化，取5个不同的沥青用量，拌制沥青混合料，计算或测试沥青混合料的最大理论密度。按照规定的击实次数成型沥青混合料马歇尔试件，得到试件体积指标、马歇尔稳定度和流值；根据现行规范或设计要求，确定各项指标均符合要求的沥青用量，即最佳沥青用量。

沥青混合料性能检验。各国的试验研究和工程实践表明，马歇尔稳定度和流值是经验性指标，具有一定的局限性。对于某些沥青混合料，即使马歇尔稳定度和流值都满足技术要求，也无法避免沥青路面出现车辙、水稳定性等病害。因此，为了保证沥青混合料的路用性能，在配合比设计的基础上，应根据沥青路面气候分区、道路交通条件等，对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性进行检验。在中国现行规范中，配合比设计检验的评价指标分别为动稳定度、破坏应变、残留稳定度（冻融劈裂强度比）。

SHRP沥青研究项目的最终成果是提出一套全新的沥青混合料设计体系，即高性能沥青路面沥青混合料设计方法的设计体系。该体系根据项目所在地区的气候和设计交通量，把材料选择与混合料设计集为一体。该方法要求在设计沥青路面时，充分考虑在服务期内温度对路面的影响，要求沥青路面在最高设计温度时能满足高温稳定性要求，不产生过量的车辙；在路面最低设计温度时，能满足低温性能要求，避免或减少低温开裂；在常温范围内控制疲劳开裂。在美国高性能沥青路面沥青混合料设计体系中，根据道路设计交通量的不同，沥青混合料设计分为3个设计水平（见表）。

在设计水平1中，基于旋转压实试验的沥青混合料体积特性和压实特性分析是整个设计的基础，又称旋转压实设计。设计水平1不仅用于低交通量，也是各级设计的基础。故而，旋转压实设计法是高性能沥青路面沥青混合料设计体系的核心内容。

在旋转压实设计法中，沥青混合料试件采用旋转压实仪（SGC）成型进行，试件的压实次数取决于道路的设计交通量。采用旋转压实参数评价沥青混合料的压实特性和体积特性。旋转压实参数包括：①初始旋转压实次数，用于反映施工时混合料的压实特性，如果沥青混合料的压实度过大，表明该混合料在现场压实易产生推挤两侧隆起，要求在时，试件的压实度＜89%。②设计旋转压实次数，指使试件达到实际路面在指定交通量后的空隙率所需要的旋转压实次数，通常要求在时，试件的设计空隙率为4%。③最大旋转压实次数，指试件达到现场路面的限制最大密度时所需要的旋转压实次数，反映混合料抗车辙性能。要求在时，试件的压实度＜98%。

旋转压实设计法的主要内容如下：①原材料的选择。基于使用性能的沥青结合料规范选择沥青的PG等级。②矿料级配的选择，包括确定各种集料的配合比和合成级配组成。在高性能沥青路面沥青混合料设计体系中，对沥青混合料矿料级配要求为，以0.45次方幂的最大密度线为基础，给出了包括控制点（最大粒径、公称最大粒径、2.36毫米和0.75毫米）和限制区在内的级配控制图。所设计的矿料合成级配应位于规定的控制点范围内，并尽可能形成S型级配曲线。③确定矿料设计配合比。初拟3组矿料配合比，按照初拟矿料配合比和预估沥青用量拌制3组沥青混合料；采用旋转压实仪成型试件，分析试件的旋转压实参数和对应的体积指标（空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等）。在与道路交通等级对应的旋转压实次数（、）下，试件的密度和体积指标应满足规定，由此确定矿料的设计配合比。④确定设计沥青用量。设计沥青用量是指在设计旋转压实次数下，沥青混合料试件空隙率为4%时的沥青用量。在初始设计沥青用量的基础上，以、、、共4个沥青用量配制沥青混合料，采用旋转压实仪成型试件；分析试件的VV、VMA、VFA，并绘制压实曲线图；计算初始压实次数、最大压实次数时沥青混合料的密度，在设计压实次数、设计空隙率的条件下选择设计沥青用量。⑤沥青混合料水敏感性检验。采用旋转压实仪成型沥青混合料试件，试件空隙率为7%，按照AASHTO T283规定的方法进行沥青混合料的劈裂强度试验。要求沥青混合料的冻融劈裂强度比大于等于80%，否则应加抗剥落剂重新试验直至满足要求为止。